Международная исследовательская группа, в том числе Институт химической конверсии энергии им. Мюльхайма Макса Планка (MPI CEC) и Австралийский национальный университет (ANU), опубликовали новые результаты, касающиеся процесса расщепления воды в процессе естественного фотосинтеза, процесса, имеющего фундаментальное значение для жизни. земля. Полученные результаты также важны для разработки солнечного топлива без CO2.
Окисление двух молекул воды до молекулярного кислорода солнечным светом является одним из первых этапов так называемого кислородного фотосинтеза, процесса, который происходит во всех растениях, водорослях и цианобактериях. Реакция похожа на преобразование света в фотоэлектрических системах. Однако здесь вместо электричества вырабатываются высокоэнергетические химические соединения, углеводы, которые затем доступны нам в пищу и в ископаемом виде в качестве топлива (нефть, газ, уголь).
Исследование показывает, как комплекс активируется и происходит контролируемое поглощение воды из окружающей среды белка.
Выпуская кислород, фотосинтез также создал нашу богатую кислородом земную атмосферу и озоновый слой в стратосфере, который защищает нас от резкого ультрафиолетового излучения солнца.
Расследования, под руководством д-ра. Ник Кокс, бывший руководитель группы профессора Вольфганга Любица в MPI CEC, сосредоточился на фотосинтетическом ферменте, ответственном за биологическое расщепление воды. Реакция протекает в так называемой фотосистеме II на металлическом кластере, состоящем из четырех марганца и одного иона металлического кальция.
Этот комплекс связывает с соседними центрами две молекулы воды, которые образуют молекулу кислорода после окисления и высвобождения и высвобождения протона. Исследование показывает, как этот комплекс активируется и как происходит контролируемое поглощение воды из окружающей среды белка.
«Наши результаты показывают, что фермент дышит, чтобы поглощать молекулы воды», - говорит Ник Кокс. «На полпути через цикл реакции фермент начинает растягиваться как аккордеон, позволяя связать молекулу воды с кластером марганца».
Важно, что это движение невозможно в других точках реакционного цикла, что препятствует поглощению воды. Это основа высокоспецифичного образования молекулы кислорода из двух молекул воды.
«Без точного последовательного связывания и преобразования двух молекул воды в кластере марганца процесс легко мог бы образовать агрессивные кислородные интермедиаты (так называемые активные формы кислорода), которые реагируют с белком и разрушают его», - говорит доктор. Мария Крисина из ИВЦ ЦИК.
Если науке удастся имитировать расщепление воды в лаборатории с той же эффективностью, что и в природе, человечество будет иметь в своем распоряжении неисчерпаемый источник устойчивой энергии.
«Энергии солнечного света, падающего на поверхность Земли за один час, достаточно для покрытия текущих энергетических потребностей всего человечества на целый год», - говорит профессор Вольфганг Любиц, почетный директор ЦИК MPI.
Разработка искусственного фермента, расщепляющего воду, позволит производить «солнечное топливо», зеленую альтернативу бензину, дизельному топливу и природному газу. Такое солнечное топливо было бы, например, B. Водород, который горит без выделения парникового газа CO2. Затем водород, образующийся при расщеплении воды, может быть использован для приготовления других важных химикатов, например Б. для синтеза удобрений в сельском хозяйстве - необходим для обеспечения населения землей продуктами питания.
Исследования основаны на спектроскопическом методе (Электронный парамагнитный резонанс, ЭПР), который используется для исследования магнитных материалов, а также для металлических центров в биологических молекулах. Этот метод предоставляет информацию об электронной структуре каталитического центра, такого как металлофермент, на молекулярном уровне, например, в расщепляющем воду ферменте фотосинтеза.
Результаты были получены в результате сотрудничества ученых из Институтов по преобразованию химической энергии Макса Планка (MPI CEC) и исследований угля (MPI KOFO) в Мюльхайм-на-Руре, Рурского университета в Бохуме, Университета Упсалы (Швеция) и Австралийский национальный университет (АНУ) в Канберре. Эта работа была недавно опубликована в журнале «Известия Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки»:
Крисина М., Хейно Е., Кутин Ю., Реус М., Нильссон Х., Новачик М.М., ДеБеер С., Ниез Ф., Мессингер Дж., Любиц В., Кокс , N. (2019). Пятикоординатный промежуточный MnIV в активации природного вододелительного кофактора. Слушания Национальной Академии Наук Авг 2019, 201817526; DOI: 10.1073 / pnas.1817526116
Научный контакт:
Профессор доктор Вольфганг Любиц
Институт Макса Планка по Химической Преобразованию Энергии
Мюльхайм / Рур
Тел: + 49 (0) 208 306 3508
Эл. адрес [электронная почта защищена]
Оригинал публикации:
DOI: 10.1073 / pnas.1817526116
Эстер Шламанн | Институт Макса Планка по Химической Преобразованию Энергии
